Автореферат (1090209)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиФЕЩЕНКО Валерий СергеевичФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАЗРАБОТКИ ИПРОИЗВОДСТВА АЛМАЗНЫХ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХДЕТЕКТОРОВ И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕСпециальность 05.27.01«Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»Авторефератна соискание ученой степенидоктора технических наукМосква 20162Работа выполнена в ООО «Производственно-технологический центр«УралАлмазИнвест»Научный консультантМалов Александр Николаевич, докторфиз.-мат. наук, профессорОфициальные оппонентыБолтарь Константин Олегович, докторфиз.-мат. наук, профессор, начальник НТКАО «НПО «Орион»Константинов Пётр Борисович,доктортехнических наук, профессор главный научный сотрудник ОАО «НПП «Пульсар»,заслуженный изобретатель РФдокторТимошенков Сергей Петровичтехническихнаук,профессор, заведующий кафедрой микроэлектроники МИЭТВедущая организацияАО «ЦНИТИ «Техномаш»Защита состоится «___» __________ 2016 г.

в ___ часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02 в МИРЭА по адресу: 119454, г. Москва, проспект Вернадского, 78.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА по адресу: 119454,г.Москва, проспект Вернадского, 78. Автореферат диссертации размещен на сайте МИРЭАwww.mirea.ruАвтореферат разослан «___»_______________2016 г.Ученый секретарь диссертационного совета Д212.131.02 кандидат физикоматематических наук, доцент А.Н. Юрасов__________________3ВведениеАктуальность темы: В настоящее время идёт усиленный поиск альтернативных материалов для электронных и твердотельных приборов.

Особое внимание учёные уделяютприродному алмазу, который обладает уникальными свойствами и позиционируется как«материал XXI века».В научной литературе опубликована информация о разработке на основе алмаза такихприборов, как транзисторы и диоды, детекторы рентгеновского и ядерного излучений,варисторов, лазеров, оптоэлектронных коммутаторов, фотоэмиттеров и фотодетекторов.В тоже время, во многих областях науки и техники наблюдается стремление к освоению УФ-диапазона спектра для решения различных задач: в науке, технике, экологии имедицине, а также для разработки современной противопожарной и военной техники.Использование вновь разработанных детекторов УФ излучения сделает возможнымосуществлять метрологию УФ-излучения на качественно новом уровне и создаватьпринципиально новые приборы контроля источников УФ излучения, (таких как, пико- инаносекундные импульсные эксимерные лазеры и лампы высокого давления), которыеиспользуются в лазерной технике, полиграфии, производстве интегральных схем, биотехнологии, и других областях, включая экологию и технику безопасности.В настоящее время детектирование УФ-излучения, в основном, производится посредством громоздких и ненадежных вакуумных приборов: фотоэлементов и фотоумножителей.

Твердотельные фотоприемники, основанные на кремнии и материалах группы АIIBYI(сульфид цинка, селенид цинка и сульфид кадмия), также не решают всего круга задач.Для производства современной и надежной оптико-электронной техники, функционирующей в УФ-диапазоне электромагнитного спектра, требуется разработка других детекторов излучения.Очевидные преимущества алмазных фотоприемников определяются уникальнымисвойствами природного алмаза: высокой прочностью, большой шириной запрещённойзоны, высокой подвижностью носителей, малым временем жизни носителей заряда, высоким темновым сопротивлением и высокой электрической прочностью, повышеннойтемпературной и радиационной стойкостью алмазных кристаллов, а также минимальнымуровнем собственных шумов. Тем не менее, промышленное производство алмазных фотоприёмников пока не налажено.

Поэтому является актуальной разработка конструкциии технологий изготовления микро- и наноэлектроники на основе полупроводниковыхалмазных материалов.Цель и задачи работы: теоретическое и экспериментальное исследование алмазныхматериалов, технологических процессов изготовления алмазных детекторов УФ излучения, разработка их конструкции, изготовление и экспериментальное исследование.Основными задачами исследования являлись следующие: теоретическое и экспериментальное исследование алмазных материалов с цельюопределения границ применимости их для изготовления твердотельных датчиков УФизлучения; разработка конструкции одноэлементных датчиков на основе природного алмазаIIа типа; разработка основ технологии производства одноэлементных датчиков на основеприродного алмаза IIа типа и их изготовление; экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных датчиков УФ излучения;4 разработка конструкции многоэлементных датчиков на основе природного алмазаIIа типа; разработка технологии производства многоэлементных датчиков на основе природного алмаза IIа типа и их изготовление; экспериментальное исследование электрофизических параметров алмазных многоэлементных датчиков УФ излучения; разработка и изготовление приборов на основе алмазных фотодетекторов и их исследование.Методы исследований:Для изготовления алмазных датчиков использовалась технология вакуумного напыления тонких металлических пленок и физико-химические процессы, происходящие в системах алмаз - металл.

Исследования алмазных датчиков проводились на основе спектрального анализа и анализа спектров фотопроводимости с использованием методов,применяемых в современной физике полупроводников. Интерпретация экспериментальных результатов осуществлялась с помощью методов физики упорядоченных полупроводников, фотоэлектрических методов анализа процессов взаимодействия ультрафиолетового излучения с веществом.Связь с государственными программами и НИР. Работа по теме диссертации выполнялась в рамках следующих государственных программ: «Федеральная космическая программа» 2006 - 2015 гг.; ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008 2015 гг.; ФЦП «Национальная технологическая база» на 2007 - 2011 гг.; МКЦП «Датчики ВВТ», согласно гособоронзаказу на 2005 - 2010 гг.; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 гг.; ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2014-2020 гг.Научная новизна работы состоит в том, что впервые были проведены комплексныеисследования физико-технологических принципов изготовления приборов на основе алмазных материалов, и на этой базе была разработана технология производства алмазныходноэлементных, многоэлементных детекторов матричного и линейного типа, изготовлены рабочие образцы и исследованы их характеристики.В процессе выполнения работы получены результаты, подтверждающие научнуюновизну: было показано, что высокая плотность состояний в запрещенной зоне алмаза, приводит к тому, что засветка алмазного детектора неактиничным фоновым излучением вовремя регистрации УФ сигнала может существенно увеличить фототок (до 50%), чтоможет отрицательно влиять на абсолютные фотометрические измерения; разработана технология производства одноэлементных алмазных детекторов, отличающаяся от классической полупроводниковой технологии тем, что на операцияхтравления, химической обработки, фотолитографии использовалась специальная технологическая оснастка-держатель - индивидуальная для одной алмазной пластины, а дляопераций напыления диэлектрических и металлических покрытий - групповая (до 10 посадочных мест);5 технология химической обработки, используемая в микроэлектронике для отмывкикремниевых пластин в кипящих растворах, показала хорошие результаты при отмывкеалмазных пластин и была лишь дополнена операцией обработки в кипящем хромпике,что позволило удалять графитизацию, которая возникает после высокотемпературныхобработок алмазных пластин; на основе анализа литературных материалов и экспериментальных исследованийпоказано, что оптимальным материалом электродов для алмазных материалов, по совокупности свойств, можно считать платину с адгезионным подслоем из тантала или титана, а для контактных площадок целесообразно использовать золото, с титаном или нитридом титана в качестве адгезионного подслоя, либо алюминий, с последующей разваркой кристалла алюминиевой проволокой; экспериментальные исследования показали, что детекторы на основе алмаза, полученные по разработанной технологии, обладают порогом чувствительности ~ 3,5 10-12Вт/Гц-1/2, постоянной времени ~160 мкс и динамическим диапазоном 1300 - 1700; экспериментально получено, что изучаемые алмазные датчики имеют несимметричную световую вольтамперную характеристику и показано, что это происходит за счёттого, что время жизни неравновесных дырок примерно в 10 раз меньше времени жизниэлектронов; экспериментальные исследования показали, что с повышением напряжения смещения, форма спектра фоточувствительности алмазного фотодиода меняется, причём уотносительно чистых алмазов (концентрация азота < 1018) растёт фоточувствительность вобласти длин волн короче 210 нм, а у более «грязных» (концентрация азота ~ 1019) начинает расти фоточувствительность в районе 240-280 нм, обусловленная примесными центрами (B1 и B2) зависимость формы спектра алмазного детектора от напряжения смещения позволило сконструировать спектральный прибор, который за счёт изменения аппаратнойфункции своей оптической системы распознает составы многокомпонентных смесей, используя одиночный детектор; разработана конструкция многоэлементных детекторов матричного и линейноготипа, отличающаяся тем, что детектирование УФ-излучения происходит в алмазных фотоприемниках, а обработка электрического сигнала (накопление, опрос) - в кремниевоммультиплексоре; впервые в мире была изготовлена алмазная матрица форматом 128х128, спектральным диапазоном от 180 до 270 нм, с геометрическим шумом 8,5%, состыкованная смультиплексором с посредством индиевых столбцов и с её помощью было получено УФизображение; экспериментальные исследования показали существенное преимущество конструкции пиксела проводящего через объём перед пикселом встречно-штыревой конструкции, выразившееся в том, что темновые токи у него были в четыре раза меньше, чувствительность в шесть раз выше, а геометрический шум (разброс фототока от пиксела к пикселу) составлял не более 1, 1% (23,8% у встречно-штыревого пиксела); на основе одноэлементного алмазного датчика разработано и изготовлено фотоприёмное устройство с порогом чувствительности 8,7·10 -11 Вт/Гц1/2 , которое позволяетобнаружить трассер ракеты на расстоянии более 90 метров;6 на основе алмазной матрицы было разработано и изготовлено устройство наблюдения с пороговой чувствительностью 3,6·10-15 Вт/см2; была построена математическая модель прибора наблюдения и фотоприёмногоустройства на основе алмаза формата 128х128 УФ диапазона спектра, которая позволяетисследовать их характеристики, и является адекватной. впервые в мире на основе алмазной четырёхэлементной матрицы был разработан иизготовлен высокоскоростной четырёхканальный детектор ультрафиолетового излучения, который имеет постоянную времени не хуже 1,8 нс; была разработана и изготовлена фотометрическая установка с алмазными фотоприёмниками, работающая в УФ-С диапазоне спектра, которая позволяет с высокой точностью (до 0,001 мг/дм3) обнаруживать примеси нефтепродуктов в сточных водах.Практическая значимость работыРазработаны научные основы технологии приборостроения для создания информационно-измерительных приборов УФ диапазона спектра нового поколения.Разработанные конструктивные и физико-технологические основы производства алмазных одноэлементных детекторов позволяют серийно изготовлять эти детекторы.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации